鈦合金及鎳基合金化學(xué)機(jī)械拋光研究.pdf

1、鈦合金和鎳基合金是非常重要的工程合金材料，具有非常優(yōu)異的高溫機(jī)械性能、高溫抗氧化和耐酸堿腐蝕等性能，在航空航天、石油化工、軍事裝備和微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。MEMS器件等高精密儀器對(duì)合金表面質(zhì)量要求非常高，需要對(duì)表面進(jìn)行平坦化加工，使粗糙度達(dá)到納米級(jí)。目前合金表面平坦化技術(shù)主要有機(jī)械拋光、化學(xué)拋光和電解拋光等，這些方法存在效率低、表面質(zhì)量差和污染環(huán)境等缺點(diǎn)。本文針對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金和Hastello

2、y C2000鎳基合金，研制了新型綠色環(huán)保拋光液，采用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）的方法對(duì)其進(jìn)行表面平坦化，獲得了粗糙度亞納米級(jí)的光滑表面，并采用電化學(xué)和X射線光電子能譜（XPS）對(duì)合金CMP的機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　新型環(huán)保CMP拋光液主要由硅溶膠、雙氧水、可食用有機(jī)酸和去離子水組成，避免使用HNO3、HF等強(qiáng)腐蝕性溶液。Ti-6Al-4V拋光液中采用食品添加劑蘋果酸和檸檬酸調(diào)節(jié)pH為3.5~4.5，經(jīng)過(guò)20 min拋光，表面粗糙度Ra

3、和rms達(dá)0.684 nm和0.856 nm。電化學(xué)結(jié)果表明，酸性溶液能促進(jìn)Ti-6Al-4V腐蝕反應(yīng)，腐蝕速率隨H2O2濃度增加而增大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CMP去除率實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。XPS能譜分析表明，優(yōu)化拋光液浸泡后和CMP后Ti-6Al-4V表面主要成分為TiO2和Al2O3，以及極少量的TiO、Ti2O3和VO2，而表面10 nm深度處為Ti、Al和V金屬單質(zhì)，表明在拋光液作用下鈦合金表面會(huì)生成一層氧化膜。
　　在鈦合金CMP基礎(chǔ)上

4、，采用機(jī)械拋光-化學(xué)機(jī)械拋光兩步拋光工藝對(duì)鎳基合金表面進(jìn)行平坦化，加工后 C2000鎳基合金表面為光滑鏡面，表面粗糙度 Ra和 rms最優(yōu)達(dá)0.705 nm和0.958 nm。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了5種不同處理方式下C2000樣品表面XPS能譜，以分析CMP過(guò)程中拋光液中各成分和機(jī)械作用對(duì)C2000表面的作用。結(jié)果表明H2O2與C2000發(fā)生氧化反應(yīng)，提高表面CrO3、Ni(OH)2和MoO3含量比例；蘋果酸溶液能溶解NiO和 Ni(OH)2等氧化